Operasi Optimal Sistem Tenaga Listrik Mempertimbangkan Kestabilan Transien Menggunakan Oppositional Krill Herd Algorithm - ITS Repository

  TUGAS AKHIR - TE 141599 OPERASI OPTIMAL SISTEM TENAGA LISTRIK MEMPERTIMBANGKAN KESTABILAN TRANSIEN

MENGGUNAKAN OPPOSITIONAL KRILL HERD ALGORITHM

  Gilang Hari Pratomo NRP 2215105003 Dosen Pembimbing Prof. Dr. Ir. Adi Soeprijanto, MT.

  Ir. Ni Ketut Aryani, MT. DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

  FINAL PROJECT - TE 141599

TRANSIENT STABILITY CONSTRAINED OPTIMAL POWER

FLOW USING OPPOSITIONAL KRILL HERD ALGORITHM

  Gilang Hari Pratomo NRP 2215105003 Supervisors Prof. Dr. Ir. Adi Soeprijanto, MT.

  Ir. Ni Ketut Aryani, MT. DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING Faculty Of Electrical Technology Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

  

PERNYATAAN KEASLIAN

TUGAS AKHIR

  Dengan ini saya menyatakan bahwa isi sebagian maupun keseluruhan Tugas Akhir saya dengan judul

  “Operasi Optimal Sistem Tenaga

Listrik Mempertimbangkan Kestabilan Transien Menggunak an

Oppositional Krill Herd Algorithm ” adalah benar benar hasil karya

  intelektual mandiri, diselesaikan tanpa menggunakan bahan -bahan yang tidak diijinkan dan bukan merupakan karya pihak lain yang saya akui sebagai karya sendiri. Semua referensi yang dikutip maupun dirujuk telah ditulis secara lengkap pada daftar pustaka.

  Apabila ternyata pernyataan ini tidak benar, saya bersedia menerima sanksi sesuai peraturan yang berlaku.

  Surabaya, Juli 2017 Gilang Hari Pratomo

  2215105003

  

Operasi Optimal Sistem Tenaga Listrik

Mempertimbangkan Kestabilan Transien

Menggunakan Oppositional Krill Herd Algorithm

TUGAS AKHIR

  Diajukan Guna M emenuhi Sebagian Persyaratan Untuk M emperoleh Gelar Sarjana Teknik

  Pada Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga

  Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember

  

Menyetujui :

SURABAYA

Juli, 2017

  Dosen Pembimbing I Prof. Dr. Ir. Adi Soeprijanto, M T.

  NIP. 19640405 199002 1 001 Dosen Pembimbing II Ir. Ni Ketut Aryani, MT.

  NIP.

  19650901 199103 2 002

  

Operasi Optimal Sistem Tenaga Listrik

Mempertimbangkan Kestabilan Transien Menggunakan

Oppositional Krill Herd Algorithm

  Gilang Hari Pratomo 2215105003 Dosen Pembimbing I : Prof. Dr. Ir. Adi Soeprijanto, MT.

  Dosen Pembimbing II : Ir. Ni Ketut Aryani, MT.

  Abstrak : Transient Stability Constrained Optimal Power Flow

  (TSCOPF) adalah analisa untuk mencari daya optimum pada setiap unit pembangkit dengan mempertimbangkan faktor keamanan sistem. Pertambahan kebutuhan tenaga listrik yang tidak sebanding dengan pertumbuhan infrastruktur tenaga listrik menyebabkan sistem beroperasi lebih dekat pada batas kestabilan.

  TSCOPF menggabungkan Optimal Power Flow (OPF) dan (TSA). Pada suatu sistem dengan biaya

  Transient Stability Assesment

  pembangkitan yang paling murah karena sudah menggunakan analisa OPF, belum tentu ketika dilakukan pengujian kontingensi sistem tetap stabil. TSA diperlukan untuk memastikan sistem tetap stabil setelah ada gangguan. TSA menggunakan metode Time Domain Simulation (TDS) dan Center of Inertia (COI). Generator pada sistem dimodelkan secara multimesin dan dilihat kurva ayunan sudut rotor menggunakan TDS. Stabil atau tidak stabilnya sistem dilihat dari sudut rotor menggunakan COI.

  Pemecahan masalah TSCOPF ini menggunakan Oppositional (OKHA). OKHA mensimulasikan sifat dari

  Krill Herd Algorithm kawanan Krill merespon terhadap perubahan biologis dan lingkungan.

  Sistem yang digunakan menggunakan 6 generator IEEE 30 bus dan 10 generator sistem Jawa Bali 500kV 29 bus. Dari hasil simulasi menggunakan OKHA menunjukan keandalan dan keefektifan permasalahan optimas i yang tidak linear seperti TSCOPF.

  

Kata Kunci: Transient Stability Constrained Optimal Power Flow,

Optimal Power Flow, Time Domain Simulation, Center of

Inertia, Oppositional Krill Herd Algorithm.

  

Halaman ini sengaja dikosongkan

  Transient Stability Constrained Optimal Power Flow

using Oppositional Krill Herd Algortihm

  Gilang Hari Pratomo 2215105003 Dosen Pembimbing I : Prof. Dr. Ir. Adi Soeprijanto, MT.

  Dosen Pembimbing II : Ir. Ni Ketut Aryani, MT.

  Abstract : Transient Stability Constrained Optimal Power Flow

(TSCOPF) is an analysis to find the optimum power in each generating

unit by considering the system security factor. The rapid increase of

electricity demand which not followed by growth of electricity

infrastructure causing power system tend to operate closer to the stability

boundaries.

  TSCOPF combines Optimal Power Flow (OPF) and Transient

Stability Assessment (TSA). System stability is undetermined when system

with cheapest generation cost which have o ptimized with OPF

analysis,being subjected with contingencies test. TSA is required to

ensure the system remains stable after interruption. TSA uses Time

Domain Simulation (TDS) and Center of Inertia (COI) methods. The

generator on the system is modeled with multimachine and generator

respon in the form rotor angle is beeing calculated using TDS. Instability

of the system determined using COI.

  Oppositonal Krill Herd Algorithm is being used to solved

TSCOPF problem. OKHA stimulates the herding behavior of k rill

swarms responding to biological and enviromental changes. The system

used 6 generator IEEE 30 bus and 10 generator Jawa Bali 500 k V system.

From the simulation result using OKHA shows the robustness and

effectiveness on non linear optimization problems such as TSCOPF.

  

Keywords : Transient Stability Constrained Optimal Power Flow,

Optimal Power Flow, Time Domain Simulation, Center of

Inertia, Oppositional Krill Herd Algorithm.

  

Halaman ini sengaja dikosongkan

  

KATA PENGANTAR

Salam Sejahtera,

  Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat

kasih karunia dan hikmatNya penulis dapat menyelesaikan

Laporan Tugas Akhir yang berjudul “Operasi Optimal Sistem

Tenaga Listrik Mempertimbangkan Kestabilan Transien

Menggunakan Oppositional Krill Herd Algorithm

  ”. Adapun dalam proses penyusunan Laporan Tugas Akhir

ini penulis memperoleh bantuan dan bimbingan serta banyak

dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis

mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Adi Soeprijanto, MT. selaku dosen

  pembimbing I atas bimbingan dan ilmu yang sangat banyak dalam pengerjaan dan penyelesaian Tugas Akhir ini.

  2. Ibu Ir. Ni Ketut Aryani, MT. selaku dosen pembimbing II atas bimbingan dan ilmu yang sangat banyak dalam pengerjaan dan penyelesaian Tugas Akhir ini.

  3. Keluarga Penulis, Bapak Hartono, Ibu Budi Murwani dan Sonia Ayu P. atas motivasi dan doa tiada henti.

  4. Segenap dosen jurusan teknik elektro ITS, khususnya dosen bidang teknik sistem tenaga yang telah memberi ilmu pelajaran, kritik, dan masukan selama masa perkuliahan penulis.

  

5. Teman-teman penulis yaitu Aji Istanto, Fitri Ozy, Adinda,

Bagus, Febri yang senantiasa memberi dukungan, doa, maupun bantuan lainnya kepada penulis.

  

6. Mas Deni Ashari dan Mbak Rohmanita, dan Pak Omen yang

memberikan solusi dalam penyelesaian masalah tugas akhir.

  

7. Teman-teman penulis yaitu Gio, Apri, Luthfi, Imam Tantowi,

Boni, PSSL B103 2014 dan 2015 yang senantiasa memberi

dukungan, doa, maupun bantuan lainnya kepada penulis.

  

8. Teman-teman jurusan teknik elektro ITS angkatan LJ 2015

yang telah memberi dukungan dan semangat dalam penyelesaian laporan ini.

  

9. Rekan-rekan satu bidang teknik tenaga yang senantiasa

berdiskusi dan berbagi ilmu selama pengerjaan Tugas Akhir ini.

  

10. Semua pihak yang telah membantu yang tidak dapat penulis

sebutkan satu per satu.

  Walaupun jauh dari sempurna harapan saya semoga Tugas

Akhir ini dapat memberikan manfaat dan menambah wawasan

bagi rekan-rekan sedisiplin ilmu. Penulis juga memohon maaf atas

kekurangan yang ada pada laporan ini.

  .

  Surabaya, Juni 2017 Penulis

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

DAFTAR ISI

JUDUL ... ............................................................................................................i

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ................................iii

PENGESAHAN

  

  

  

  

  

  

  

  

  …................................................................................................... ix

  ABSTRAK

  … .............................................................................................. vii

  ABSTRACT

  ……………………………………………….……... v

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

LAMPIRAN 1 Konfigurasi Jaringan 500kV Sistem Jawa Bali .....A-1

LAMPIRAN 2 Data kapasitas dan fungsi biaya per unit

  …….....A-3

  LAMPIRAN 3 Data Dinamik Generator

  ……………………........A-5

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Permodelan Bus secara umu m................................................. 9Gambar 2.2 Sebuah mesin yang dihungkan dengan bus infinite ........... 20Gambar 2.3 Represntasi Sistem untuk Analisa Stabilitas Transien ...... 23Gambar 2.4 Algorit ma Krill Herd .............................................................. 27Gambar 2.5 Diagram Alir Oppositional Krill Herd................................. 28Gambar 3.1 Sistem IEEE 30bus .................................................................. 29Gambar 3.2 Sistem Jawa Bali 500kV 2016............................................... 33Gambar 3.3 Respon sudut rotor terhadap gangguan transien................. 38Gambar 3.4 Respon sudut rotor terhadap gangguan transien................. 38Gambar 3.5 Diagram Alir Uji Stabilias Transien..................................... 40Gambar 3.6 Diagram Alir OKHA untuk menyelesaikan TSCOPF ....... 47Gambar 4.1 Grafik Konvergensi PSO, KHA, dan OKHA ..................... 51Gambar 4.2 Perbandingan Biaya Pembangkitan dengan Jumlah

  

Gambar 4.3 Perbandingan Populasi dengan Biaya Pembangkitan dan

  

Gambar 4.4 Perbandingan Fault Clearing Time dengan Biaya

  

Gambar 4.5 Tegangan Bus IEEE 30 bus Kasus TSCOPF ...................... 53Gambar 4.6 Kurva Sudut Rotor Generator pada Sistem IEEE 30 untuk

  

Gambar 4.7 Kurva Sudut Rotor Generator pada Sistem IEEE 30 untuk

  

Gambar 4.8 Tegangan Bus Jawa Bali 500kV Kasus TSCOPF .............. 61Gambar 4.9 Perbandingan Pembangkitan Jawa Bali 500kV:

  

Gambar 4.10 Sudut rotor generator pada sistem Jamali 500kV untuk

  

Gambar 4.11 Sudut rotor generator pada sistem Jamali 500kV untuk

  

  

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Data Bus dan Beban Sistem IEEE 30 bus ................................30Tabel 3.2 Data Saluran Sistem IEEE 30bus ..............................................31Tabel 3.3 Data Kemampuan Pembangkit Sistem IEEE 30 Bus ..............32Tabel 3.4 Data Dinamik Pembangkit Sistem IEEE 30 Bus ....................32Tabel 3.5 Data Bus dan Beban Sistem Jawa Bali 500kV........................34Tabel 3.6 Data Saluran Sistem Jawa Bali 500kV .....................................35Tabel 3.7 Data Kemampuan Pembangkit Sistem Jawa Bali 500kV .....36Tabel 3.8 Data Dinamik Pembangkit Sistem Jawa Bali 500kV.............36Tabel 3.9 Index Kontingensi Saluran Transmisi 500kV Jawa Bali .....37Tabel 4.1 Solusi Terbaik OPF IEEE 30bus ...............................................50Tabel 4.2 Solusi Terbaik TSCOPF IEEE 30bus .......................................50Tabel 4.3 Perbandingan CCT antar kasus..................................................52Tabel 4.4 Perbandingan Aliran Daya yang mengalir Pada Saluran ......53Tabel 4.5 Solusi Tegangan Terbaik OPF dan TSCOPF ..........................58Tabel 4.6 Solusi Daya Aktif Terbaik OPF dan TSCOPF ........................58Tabel 4.7 Perbandingan Biaya Pembangkitan awal Jawa Bali dengan

  

Tabel 4.8 Biaya Pembangkitan Jawa Bali dengan Analisa TSCOPF ...59Tabel 4.9 Perbandingan CCT pada Saluran Cib inong - Bekasi .............59Tabel 4.10 Aliran Daya Saluran Jawa Bali 500kV awal dan setelah

  

  

Halaman ini sengaja dikosongkan

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Kebutuhan tenaga listrik di seluruh negara diprediksikan mengalami peningkatan sebesar 67% selama periode 2011 sampai 2035 dengan pangsa terbesar dari sektor industri sebesar 41% [1]. Untuk memenuhi kebutuhan tenaga listrik yang meningkat maka diperlukan infrastruktur pembangkit listrik yang memadahi dan mengacu pada prinsip ekonomi. Dalam arti yang lain, selain pembangkit harus memenuhi daya yang dibutuhkan konsumen, pembangkit juga berkewajiban meminimalkan total biaya pembangkitan. Ketika sistem tenaga interkoneksi mengambil peranan untuk meningkatkan keandalan sistem tenaga listrik maka fasilitas pendukung sistem tenaga listrik dituntut beroperasi dalam kondisi optimal. Stabilitas sistem tenaga listrik baru dikenali pada tahun 1920 dan didefinisikan sebagai sifat dari sistem tenaga listrik yang akan tetap berada di kondisi setimbang setelah mengalami gangguan [2]. Salah satu contoh permasalahan kestabilan adalah kejadian kehilangan sinkronisasi generator yang terjadi pada tanggal 12 Mei 2014 yang menyebabkan pemadaman [3]. Gangguan besar seperti putusnya saluran transmisi maupun lepasnya pembangkit dan beban yang besar dapat menimbulkan gangguan stabilitas khususnya gangguan stabilitas transien.

  Transient Stability Constraint Optimal Power Flow (TSCOPF)

  adalah sebuah metode untuk mencari daya optimum pada setiap unit pembangkit dengan mempertimbangkan kestabilan transien. Optimal

  

Power Flow (OPF) adalah metode mencari nilai pembangkitan yang

  optimum dengan biaya pembangkitan yang eko nomis dan juga memperhatikan besarnya kapasitas dan jaringan mana yang dipakai untuk menyalurkan daya. Analisa aliran daya yang optimal dengan mempertimbangkan stabilitas transien adalah metode preventif yang digunakan untuk mengamankan sistem tenaga listrik sebelum terjadi gangguan. Dengan penjadwalan setiap unit pembangkit yang tepat maka biaya operasi pembangkitan dapat ditekan dan secara umum meningkatkan tingkat keandalan dan tingkat keamanan sistem. Diharapkan dengan metode ini ketika sebuah sistem tenga listrik diberikan kontingensi tertentu maka pembangkit tidak hanya stabil namun juga beroperasi dengan biaya seminimal mungkin.

  Pada tugas akhir ini, dibahas permasalahan OPF dengan batasan kestabilan transien dengan melakukan uji kontingensi pada bus tertentu. Metode analisa transien yang dilakukan untuk mengetahui apakah suatu pembangkit stabil atau tidak adalah dengan menggunakan Time Domain

  

Simulation (TDS). Sedangkan pengotimalan tiap unit pembangkit dengan

  mempertimbangkan generator stabil atau tidak menggunakan metode Metode optimasi OKHA Oppositional Krill Herd Algortithm (OKHA). merupakan pengembangan metode Krill Herd Algorithm (KHA) yang dikembangkan oleh Gandomi dan Alavi [4]. KHA adalah metode optimasi yang terinspirasi dari kejadian ilmiah berupa pergerakan krill untuk mencari makan. Untuk meningkatkan konvergensi dan hasil simulasi, dikembangkan metode oppositional based learning (OBL) [5] yang diimplementasikan pada KHA.

1.2 Permasalahan

  Permasalahan yang diselesaikan pada tugas akhir ini adalah dengan mempertimbangkan batasan

  Optimal Power Flow (OPF)

  kestabilan transien dengan pengujian kontingensi pada saluran tertentu dengan menggunakan Oppositional Krill Herd Algorithm (OKHA). Batasan

• – batasan seperti equality constraint dan inequality constraint diterapkan pada penyelesaian optimasi ini. Selanjutnya yaitu menentukan daya dari masing
• – masing unit pembangkit sehingga biaya pembangkitan minimal dan generator dilihat dari sudut rotornya tetap stabil jika terjadi kontingensi pada saluran.

1.3 Tujuan Tugas Akhir

  Tujuan penyusunan Tugas Akhir ini dimaksudkan untuk:

  1. Mengetahui pengaruh penambahan batasan kestabilan transien terhadap output daya pembangkit dan total biaya pembangkit dengan melakukan uji kontingensi pada saluran tertentu.

  2. Memodifikasi metode optimasi KHA dengan mengadopsi metode

  oppositional based learning guna membentuk metode optimasi yang memiliki nilai konvergensi lebih baik dan cepat.

  3. Menentukan daya keluaran pada setiap unit pembangkit agar biaya pembangkitan seminimal mungkin dan stabil jika terjadi gangguan pada saluran tertentu yang mempengaruhi kestabilan transien.

  1.4 Batasan Tugas Akhir

  Untuk menyelesaikan permasalahan pada tugas akhir ini, maka ada beberapa asumsi dengan batasan-batasan sebagai berikut :

  1. Sistem transmisi diasumsikan model saluran transmisi pendek.

  2. Perhitungan aliran daya menggunakan aliran daya newton raphson.

  3. Sistem yang digunakan adalah IEEE 30 bus dan Jawa Bali 500kV berdasarkan data dari PLN P2B 2015

• – 2016.

  4. Permodelan generator sinkron menggunakan classical generator dan generator yang ada pada sistem dimodelkan secara multi Sedangkan beban dimodelkan constant impedance.

  machine.

  5. Analisa kestabilan transien tidak memodelkan pengaruh dari governor dan sistem eksitasi.

  6. Simulasi sudut rotor berbasis waktu didasarkan pada Power System Toolbox yaitu toolbox yang dikemban gkan oleh Hadi Saadat.

  7. Pemilihan saluran yang dikontingensi pada Jawa Bali tidak berdasarkan index kontingensi namun pada saluran yang dialiri daya mendekati batas kapasitas saluran.

  1.5 Metodologi Tugas Akhir

  Metode yang digunakan dalam penelitian tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

  1. Studi literatur Literatur utama menggunakan paper, jurnal, hasil conference, standar IEEE, acuan Keputusan Menteri, Peraturan Menteri dan

  text book . Literatur yang lain dapat berasal dari manual perangkat

  lunak dari Power World dan outline pelatihan seperti dari Portland

• – General Electric. Studi literatur bertujuan mengumpulkan teori teori pendukung seperti metode aliran daya optimal, reduksi jaringan dan kestabilan transien, dan metode optimasi dan perancangan perangkat lunak menggunakan software MATLAB.

  2. Pengumpulan data Data yang digunakan meliputi data generator, bus, beban, dan saluran. Detail dari generator berupa besar pembangkitan minimum dan maksimum, biaya pembangkitan setiap kWh, parameter generator seperti konstanta inersia maupun reaktansi transien. Data kontingensi yang mungkin terjadi dan besar critical

  clearing time. Data bus berupa nomor bus, tipe bus, dan serta tegangan bus. Data saluran terdiri atas resistansi, reaktansi, dan kapasitas saluran. Data ters ebut digunakan untuk memodelkan dari sistem yang ada dilapangan untuk dilakukan analisa dan simulasi menggunakan MATLAB.

  3. Perancangan perangkat lunak Membuat program untuk melakukan perhitungan OPF dengan batasan kestabilan transien. Analisa kestabilan suatu generator dilihat dari sudut rotornya menggunakan program berbasis Time

  Metode pengoptimalan setiap unit Domain Simulation. pembangkit untuk memperoleh biaya pembangkitan min imu m dengan batasan kestabilan transien menggunakan Oppositional

  Krill Herd Algorithm.

  4. Simulasi dan analisis Simulasi dilakukan dengan menggunakan plant IEEE 30 bus dengan penambahan karakteristik generator dan biaya pembangkitan per unit generator. Selain itu simulasi juga dilakukan pada plant Jawa Bali 500kV tahun 2016. Untuk menganalisa dan validasi dilakukan beberapa tes kontingensi dan digunakan beberapa metode optimasi.

  5. Penulisan buku Hasil Tugas Akhir yang telah dilakukan dilaporkan dalam bentuk laporan tugas akhir dan publikasi paper. Laporan berisi penjabaran metode dan kes impulan dari Tugas Akhir.

1.6 Sistematika Laporan

  Guna menguraikan penjelasan secara detail, tugas akhir ini disusun dalam suatu sistematika sebagai berikut:

  Bab 1: PENDAHULUAN Bab ini membahas mengenai latar belakang, tujuan Tugas Akhir, permasalahan, batas masalah, metode penelitian, sistematika penulisan dan relevansi dari Tugas Akhir.

  Bab 2: ANALISA ALIRAN DAYA OPTIMUM DAN DASAR KESTABILAN SISTEM TENAGA LISTRIK Bab ini berisi dasar teori yang menjelaskan teori pendukung berkaitan dengan kestabilan transien, reduksi jaringan, permodelan Multi Machine, Optimal Power Flow, dan Oppositional Krill Herd Algorithm (OKHA).

  Bab 3: PENERAPAN ALIRAN DAYA OPTIMUM MEMPERTIMBANGKAN KESTABILAN TRANSIEN MENGGUNAKA N OKHA Bab ini berisi Penerapan metode Oppositional Krill Herd pada Optimal Power Flow dengan mempertimbangkan

  Algorithm

  kestabilan transien yang dilakukan pada plant IEEE 30 bus dan sistem Jawa Bali 500kV.

  Bab 4: SIMULASI DAN ANALISA Analisa performa hasil Optimal Power Flow mempertimbang kan kestabilan transien menggunakan OKHA dibandingkan dengan metode lainnya.

  Bab 5: PENUTUP Kesimpulan dan saran dari hasil simulasi dan analisa OPF dengan mempertimbangkan kestabilan transien menggunakan metode OKHA.

1.7 Relevansi

  Hasil yang diperoleh dari Tugas Akhir ini diharapkan dapat memberikan manfaat berikut :

  1. Dapat memberikan manfaat perkembangan sistem tenaga listik khususnya dalam operasi optimum terkait masalah Optimal dengan mempertimbangkan stabilitas transien

  Power Flow dengan pemberian kontingensi pada saluran tertentu.

  2. Sebagai pertimbangan pengaturan besar nilai pembangkitan sistem Jawa Bali yang aman sebagai upaya preventif terhadap gangguan stabilitas transien.

  3. Menjadi referensi bagi penelitian lain yang memiliki topik berkaitan dengan Tugas Akhir ini.

  

Halaman ini sengaja dik osongk an

BAB 2 ANALISA ALIRAN DAYA OPTIMUM DAN DASAR KESTABILAN SISTEM TENAGA LISTRIK

2.1 Sistem Tenaga Listrik

  Sistem tenaga listrik secara umum digunakan untuk menyalurkan daya dari pembangkit menuju beban. Sistem biasanya terdiri dari tiga bagian yaitu sistem pembangkit, transmisi, distribusi, dan beban. Sistem pembangkit terdiri dari beberapa unit generator sinkron yang berfungsi membangkitkan daya aktif dan reaktif. Unit pembangkit ini selain terletak di sumber potensial yang ada di alam, seperti PLTA Saguling dan Cirata, namun juga dekat pelabuhan atau pantai seperti PLTGU Gresik dan PLTU Paiton. Letak pembangkit yang terletak jauh dengan sumber beban maka dibutuhkan sistem transmisi dan distribusi.

  2.1.1 Pembangkitan

  Salah satu komponen yang utama dalam sistem tenaga listrik adalah generator tiga fasa atau biasanya disebut generator sinkron.

• – Generator sinkron memiliki dua medan putar yang berputar bersama sama. Medan yang satu diproduksi oleh rotor yang berputar pada kecepatan sinkron dan dieksitasi oleh arus searah. Medan yang lain diproduksi oleh gulungan stator oleh karena arus tiga fasa yang mengalir pada jangkar.

  Sumber dari daya mekanik, biasanya disebut prime mover, bisa didapat dari turbin hidraulik di air terjun atau bendungan, turbin uap yang energinya berasal dari pembakaran batu bara atau gas, atau turbin gas yang berasal dari mesin bakar. Sekolompok unit pembangkit bisa berbeda metode pembangkitannya tergantung jenis bahan bakar yang dipakai. Hal ini menyebabkan harga pembangkitan bisa bervariasi.

  2.1.2 Transmsisi dan Distribusi

  Tujuan dari jaringan transmisi adalah menyalurkan daya listrik dari pembangkit yang terletak pada daerah tertentu menuju sistem distribusi yang akan menyalurkan langsung ke beban. Sebelum adanya sistem interkoneksi suatu daerah disuplai oleh pembangkit yang ada daerah itu juga. Namun sekarang suatu daerah yang tidak dapat menyediakan pembangkit sendiri maka untuk memenuhi kebutuhan beban maka suplai didapatkan dari pembangkit yang terletak dari daerah lain. Sistem penyaluran daya antar daerah ini disebut sistem interkoneksi. Jika sistem transmisi memiliki basis tegangan tinggi, maka sistem distribusi memiliki basis tegangan menengah dan rendah. Sistem distribusi sendiri berfungsi menghubungkan dari sistem transmisi langsung menuju ke beban. Sistem distribusi memiliki karakterist ik jaringan radial dan penyula tunggal yang berbeda dengan sistem transmisi yang berbentuk loop dan biasanya memiliki lebih dari satu penyula.

2.1.3 Beban

  Beban pada sistem tenaga listrik terbagi menjadi menjadi beban industri, komersial, dan residensial. Beban industri yang besar dapat disuplai dari sistem transmisi. Sedangkan untuk beban

• – beban yang kecil dapat dilayani melalui jaringan distribusi. Beban industri berupa beban komposit dimana beban paling banyak berupa motor. Sedangkan beban komersil dan residensial paling banyak berupa penerangan, pemanas, dan pendingin.

2.2 Studi Aliran Daya

  Sistem tenaga listrik yang handal harus memenuhi beberapa kriteria antara lain daya pembangkitan mampu menopang kebutuhan beban dan rugi

• – rugi yang terjadi, tegangan dan power factor dalam batas nominal, generator beroperasi pada batas daya aktif dan reaktifnya dan saluran transmisi dan transformator tidak kelebihan beban. Untuk memenuhi kriteria di atas maka diperlukan suatu studi yang dinamakan studi aliran daya. Analisa ini menghitung besar tegangan dan sudut di setiap bus pada kondisi seimbang dan kond isi tunak. Selain itu analisa aliran daya menghitung aliran daya aktif dan reaktif yang mengalir di setiap peralatan yang terhubung dengan bus termasuk rugi
• – rugi. Namun tujuan utama dari studi aliran daya ini adalah untuk memastikan apakah dengan sistem tenaga listrik yang ada apakah memenuhi kebutuhan beban. Studi ini menjadi dasar untuk studi sistem tenaga listrik yang lain seperti kestabilan transien dan studi kontingensi.

2.2.1 Persamaan Aliran Daya

  Dimodelkan satu bus dengan adanya beberapa penyulang d apat terlihat di gambar 2.1. Impedansi saluran transmisi sudah diubah dalam bentuk per unit admitansi dalam base MVA yang sama.

  Vi y _i1

  V ¹ y i2 _{. . .}

  V ² I _i y in V _n y _i0

Gambar 2.1 Permodelan Bus secara umum

  Menurut hukum KCL yang diterapkan pada bus ini maka didapat persamaan: ) (2.1)

  = − − − +

  1 ( 1 ) +

2 (

2 ) + ⋯ + (

  Dari persamaan (2.1) didapat total arus yang masuk ke dalam bus dalam bentuk persamaan menjadi: = ∑ − ∑ ≠ 1 (2.2)

  1

=0 =1

  Daya aktif dan reaktif pada bus i adalah:

  ∗

  (2.3) = +

  −

  (2.4) =

  ∗

  Persamaan (2.4) disubstitusikan dengan persamaan (2.2) menjadi:

2.3 Metode Newton Raphson

  = ∑| || | 

  −

  ∗

  = ∑

  − ∑ ≠ 1

  

=1 =0

  (2.5) Dari persamaan diatas, formulasi dari permasalahan aliran daya dinyatakan secara matematis berupa persamaan aljabar nonlinear yang harus diselasaikan dengan metode iterasi.

  Untuk jenis bus pada sistem tenaga secara umum seperti pada gambar 2.1, persamaan dapat ditulis ulang dalam bentuk matrix admitansi bus seperti berikut:

  = ∑

  =1

  (2.6) Diubah dalam bentuk polar menjadi:

• (2.7)

  =1

  ∗

  (2.8) Substitusi dari persamaan (2.7) untuk (2.8):

  − = | |

  

  − ∑| |

• 

  

=1

  | | 

  (2.9) Memisahkan bagian nyata dan imajiner menjadi:

  = ∑| || || | ( − + ) (2.10)

  =1

  = − ∑| || || | ( − + ) (2.11)

  =1

  Daya aktif dan reaktif pada bus i adalah: − =

  Setiap bus beban memiliki dua persamaan yaitu persamaan (2.10) dan (2.11), sedangkan PV bus hanya memilki satu persamaan yait u (2.10).

  2 ( )

  ( )

  ] ∆[

  2 ( )

  ∆[

  ( )

  ∆

  ] [ ∆

  Matrix Jacobian memberikan hubungan yang linear antara perubahan pada sudut tegangan dan besar tegangan dengan perubahan daya aktif dan reaktif. Elemen dari matrix Jacobian adalah turunan sebagian dari persamaan (2.10) dan (2.11), dievaluasi terhadap perubahan sudut dan besar tegangan. Sederhananya dapat ditulis menjadi:

  ( )

  [ ]

  ( )

  ]

  

2

  [

  ]] (2.12) Persamaaan di atas diasumsikan, bus satu sebagai slack bus.

  [∆ ∆ ] = [

  ( )

  | | sin( − + ) (2.14) = −| || || | sin( − + ) ≠ 1 (2.15)

  | | cos( − + ) (2.16) |

  ≠1

  | || | + ∑| |

  | | = 2

  2

  Untuk elemen J

  ≠1

  

1

  = ∑| || |

  1

  ] (2.13) Untuk elemen J

  ] [ ∆ ∆| |

  4

  

3

  2

  2 ( ) ( )

  [ ]

  Berdasarkan persamaan di atas maka dapat dijabarkan menurut deret Taylor menjadi: [ ∆

  ] =

  

2

  [

  

2

  2 ( ) 2 ( )

  2

  [

  ( )

  ( )

  ∆

  2 ( )

  ∆

  ( )

  ∆

  2 ( )

  ]

  2

  2

  2

  ( )

  ]

  

2

  [

  

2

  2 ( ) 2 ( )

  ( )

  [ ]

  [ ]

  ( )

  ]

  

2

  [

  2 ( ) ( )

  ( )

  | = | || | cos( − + ) ≠ 1 (2.17) Untuk elemen J

  3

  | = ∑| || | | cos( − ) (2.18) +

  ≠1

  = −| || || | cos( + − ) ≠ 1 (2.19) Untuk elemen J

  4

  | | || | | | sin( + − ∑| − ) (2.16)

  | = −2 |

  

≠1

  = −| || | sin( ) ≠ 1 (2.17) + − | |

  ( ) ( )

  Nilai dan adalah perbedaan antara nilai yang ∆ ∆ dimasukan dengan nilai yang dihitung , yang diketahui sebagai power

  residual, yang dapat ditulis sebagai: ( ) ( )

ℎ

  ∆ = − ∆ (2.18)

  ( ) ( )

ℎ

  ∆ = − ∆ (2.19) Nilai estimasi tegangan bus yang baru adalah:

  

( +1) ( ) ( )

  = + ∆ (2.20)

  ( +1) ( ) ( )

  | | = | | + ∆| | (2.21) Proses iterasi akan berhenti jika selisih power residuals kurang dari nilai yang disebutkan dalam akurasi dan dapat dinyatakan sebagai berikut:

  ( )

  |∆ | ≤ (2.22)

  ( )

  |∆ | ≤ (2.23) Arus pada saluran dinyatakan sebagai berikut:

  = ( − ) + (2.24) Daya komplek S ij dari bus i ke bus j dan S ji dari bus j ke bus i dinyatakan sebagai berikut:

  ∗

  = (2.25)

2.4 Optimal Power Flow

  adalah suatu metode yang menggabukan

  Optimal Power Flow

  perhitungan Economic Dispatch (ED) dan perhitungan analisa aliran daya. ED sendiri adalah perhitungan mencari biaya pembangkitan termurah dari beberapa generator yang dibatasi daya pembangkitan minimal dan maksimalnya. Formula batasan persamaan ED dinyatakan sebagai:

  − ∑ = 0 (2.26) +

  =1

  Dimana N g adalah jumlah generator dan x adalah generator. ED mengabaikan detail dari jaringan dan menggabungkan efek dari jaringan tersebut menjadi rugi

• – rugi daya dan kebutuhan total beban. Hasilnya ED mengabaikan pembebanan saluran transmisi dan tegangan pada tiap bus. OPF adalah kelanjutan dari ED dimana ED dan aliran daya dihitung secara simultan,sehingga biaya pebangkitan yang dperoleh sudah mempertimbangkan kapasitas penyaluran dan tegangan tiap bus.

  Tujuan utama dari OPF adalah meminimalkan biaya pembangkitan dimana memenuhi fungsi persamaan dan pertidaksamaan, secara matematis dapat dituliskan:

  ( ) (2.27) ℎ ( ) = 0 (2.28)

  ℎ( ) ≤ 0 (2.29) Fungsi obyektif dari OPF dapat ditulis sebagai berikut:

  2

• ( ) = = ∑( + ) (2.30)

  =1

  Dimana parameter u mengandung fungsi biaya pembangkitan, batas daya aktif dan daya reaktif minimal dan maksimal generator, dan parameter yang tetap pada saluran transmisi. C T adalah total biaya

2.4.1 Batasan – Batasan OPF

• – batasan ini harus dipenuhi oleh OPF. Berikut batasan
• – batasan pada OPF: 1.
• ) = 0

  xy

  Dx

  dan Q

  Dx

  adalah beban aktif dan reaktif pada bus x. G

  xy

  , B

  , 

  Gx

  xy

  , masing

  Tegangan generator, keluaran daya aktif dan daya reaktif dari bus x, harus berada pada batas atas dan batas bawahnya masing

  ≤ ≤ (2.33) ≤ ≤ (2.34)

  ≤ ≤ (2.35) Dimana , , adalah tegangan generator minimum dan maksimum masing

  , adalah daya aktif minimum dan maksimum dari bus x. , adalah daya reaktif minimum dan maksimum dari bus x. Pengaturan tap transformer dibatasi oleh batas atas dan batas bawah transformer, tergantung dari spesifikasi transformator.

  adalah daya aktif dan daya reaktif, masing

  dan Q

  =1

  pembangkitan, ax, bx, cx, adalah koefisien biaya pembangkitan generator.

  adalah tegangan pada bus x dan bus y, P

  y

  , V

  x

  Dimana V

  =1

  (2.31) − − ∑ ( − ) = 0 (2.32)

  Gx

  − − ∑ (

  Equality Constraint

  constraint pertidaksamaan dan persamaan. Batasan

  Permasalahan OPF memiliki dua macam constraint yaitu

  P gx adalah besar pembangkitan daya akif dari generator x, N g adalah jumlah bus generator.

• – masing pada generator x, P
• – masing adalah konduktansi, suseptansi, dan perbedaan tegangan fasa antara bus x dan bus y. N B adalah jumlah bus.

2. Inequality Constraint

• – masing. Untuk generator constraint dapat dirumuskan sebagai berikut:
• – masing dari bus x.

  ≤ ≤ (2.36) Dimana , adalah masing

• – masing minimum dan maksimum pengaturan batas tap dari transformer x.

  Pengaturan batas keamanan seperti pembebanan saluran transmisi dan tegangan pada bus beban dapat dinyatakan sebagai berikut: ≤ ≤ (2.37)

  ≤ (2.38) Dimana , adalah tegangan pada bus beban maximu m dan minimum pada bus x. , adalah aliran daya komplek dan aliran daya maksimum saluran transmisi.

2.5 Dasar Kestabilan Sistem Tenaga Listrik

  Stabilitas sistem tenaga telah disadari sebagai masalah yang penting sejak tahun 1920. Banyak kejadian pemadaman yang diakibatkan oleh tidak stabilnya sistem tenaga menggambarkan betapa pentingnya fenomena ini. Dilihat dari segi sejarah kestabilan transien menjad i pertimbangan dalam sistem tenaga listrik. Hal tersebut menjad i bertambah penting karena bertambahnya saluran terinterkoneksi, penggunaan teknologi dan kontrol, dan bertambahnya operasi yang membebani peralatan untuk bekerja mendekati batasnya. Oleh karena kondisi tersebut timbul fenomena ketidakstabilan dalam bentuk ketidak stabilan tegangan, ketidakstabilan frekuensi, dan osilasi antar daerah yang sekarang menjadi permasalahan yang memerlu kan perhatian lebih. Kestabilan sistem tenaga listrik dapat didefinisikan sebagai kemampuan dari sistem tenaga listrik dengan kondisi awal yang stabil akan memperoleh titik operasi yang setara setelah mengalami gangguan fisik, dengan nilai tertentu masih dalam batas, sehingga secara praktis seluruh sistem masih utuh [6].

  Klasifikasi dari kestabilan sistem tenaga listrik ini didasari pada faktor kejadian di alam yang, ukuran dari gangguan, peralatan, proses, dan jangka waktu. Berdasar faktor tersebut maka s tabilitas diklasifikas i menjadi tiga bentuk yaitu:

  1. Kestabilan sudut rotor

  2. Kestabilan tegangan

  3. Kestabilan frekuensi Kestabilan sudut rotor diartikan sebagai kemampuan mesin - mesin sinkron dari sistem tenaga listrik yang terinterkoneksi untuk t etap dalam kondisi sinkron setelah mengalami sebuah gangguan. Kestabilan sebuah mesin sinkron dalam suatu sistem tergantung dari kemampuan mesin untuk mempertahankan ataupun memulihkan keseimbangan antara torsi medan elektromagnet dan torsi mekanik. Ketid akstabilan dapat berupa bertambahnya sudut ayunan dari beberapa generator yang berakibat pada lepasnya sinkronisasi terhadap generator yang lain.

  Kestabilan tegangan diartikan sebagai kemampuan sistem tenaga listrik untuk menjaga tegangan stabil dalam arti masih dalam batas toleransi pada semua bus setelah diberikan gangguan dengan diketahui kondisi operasi awal dalam kondisi stabil. Kestabilan tergantung dari kemampuan untuk menjaga dan memulihkan keseimbangan antara permintaan beban dengan penyedia beban. Ketidakstabilan dapat terjadi dalam bentuk naik dan turunnya tegangan secara terus menerus. Akibat dari ketidakstabilan tegangan adalah kehilangan beban dari sebuah area, pemutusan dari saluran transmisi atau elemen yang lain oleh karena bekerjanya sistem proteksi.

  Kestabilan frekuensi mengacu pada kemampuan sistem tenaga listrik untuk menjaga frekuensi tetap mantap dari sistem yang kacau yang menyebabkan ketidakseimbangan antara pembangkitan dan beban. Kestabilan ini tergantung pada kemampuan menjaga d an memulih kan keseimbangan antara pembangkitan dan beban dengan meminimal is ir kehilangan beban yang tidak disengaja. Ketidakstabilan dapat berdampak dalam bentuk ayunan frekuensi terus

• – menerus yang berakibat pada putusnya unit pembangkit atau beban.

  Kestabilan sudut rotor lebih umum disebut dengan kestabilan transien yang dapat dihubungkan sebagai kemampuan sistem tenaga listrik untuk menjaga kestabilan ketika mengalami sebuah gangguan seperti hubung singkat pada saluran transmisi. Respon dari sistem melibatkan sudut rotor dari generator dan dipengaruhi oleh hubungan sudut daya yang nonlinear. Kestabilan transien tergantung pada sistem operasi awalan dari sebuah sistem dan tingkat keparahan gangguan. Ketidakstabilan biasanya dalam bentuk pemisahan sudut secara tidak tetap akibat kurangnya torsi sinkronisasi yang termanifestasi sebagai first

  . Bagaimanapun pada sistem tenaga listrik yang besar,

  swing instability ketidakstabilan mungkin tidak saja terjadi pada ayunan pertama.